设计仿真 | 采用Marc进行橡胶件疲劳寿命分析

在橡胶件CAE仿真分析中，通常需要进行橡胶件刚度，密封性等仿真工况的分析，但如何进行橡胶疲劳寿命的分析当前仍然是困扰行业的难题。

Marc软件在橡胶、密封行业有着广泛的应用，针对橡胶疲劳寿命的仿真，Marc有几种方法可以实现：

• 通过Mullins效应进行橡胶件的损伤分析，当损伤到达1时，认为橡胶出现开裂，但是在实际仿真计算中需要进行大量的分析计算，工作量巨大。

• 通过弹性体疲劳寿命损伤理论来进行疲劳寿命分析。其基本思想和传统的金属疲劳的一致，且仿真计算工作量很小，适合在工程计算中应用。

下面，我们将介绍如何采用弹性体疲劳寿命损伤理论来进行疲劳寿命分析。

根据弹性体疲劳理论，弹性体的寿命和其对数应变和格林应变存在对应关系，也就是Woehler公式，其形式如下：

上述公式中，为弹性体破坏时的循环次数，为其对应的最大对数应变和格林应变。A和n为需要拟合的参数。其曲线的拟合形式如下图所示。

然后通过雨流计数法则进行变幅损伤累积叠加，如下表达式。当D<1认为弹性体没有发生破坏，当D≥1认为弹性体发生破坏。

在实际的计算中，只需计算一个周期的载荷循环，就可以进行弹性体寿命的预测。下面将介绍如何在Marc中进行弹性体疲劳寿命的拟合。

以汽车衬套为例，首先在现有的橡胶材料模型参数的参数基础上，需增加用于弹性体疲劳计算的参数，如下图所示：

其中，系数A和N分别对应Woehler公式里面的A和n。

其次，定义橡胶衬套的载荷计算工况。在该案例中，我们定义衬套沿径向进行0.5mm的正弦振动。载荷加载形式为正弦波，在一个正则时间步内完成。

同时在结果输出中，需要将对数应变输出，以用于后续的疲劳寿命计算。计算结果如下图所示。可以看到，最大对数主应变发生在橡胶衬套和套筒接触区域，以及在衬套边缘接触区域。

在此基础上，新增一个用于疲劳计算的分析任务，用于疲劳寿命计算。其计算设定参数如下图所示。其中，载荷类型采用变幅载荷，载荷历程计算方法采用重复计数法则以保证半周期的载荷也被考虑进去。选定前一步计算好的结果文件，并定义好应变寿命计算的增量步范畴，该分析取第一步到最后一步的应变进行疲劳寿命计算。

疲劳计算结果如下图所示，可以看到其损伤最大的位置在橡胶特征倒角处，最大损伤值为6.28e-5。这与前面计算的最大对数应变的位置相对应。

采用Marc软件，可以很方便的在计算完强度的基础上，进行橡胶件疲劳寿命的计算。从而帮助客户快速预测橡胶件的疲劳寿命，提升产品开发效率。